Прокатка на непрерывных проволочных станах
Все проблемы многониточной непрерывной прокатки, связанные как с точностью проката, так и со структурой и свойствами металла, более остро стоят при прокатке на современных проволочных станах. Катанка имеет минимальный диаметр, который можно получить на стане горячей прокатки. Чем он меньше, тем меньше переходов требуется при дальнейшей ее переработке — холодном волочении проволоки. В настоящее время на непрерывных станах производят катанку диаметром 5,0 мм и выше. Минимальный диаметр зависит от конструкции стана, жесткости клети, количества клетей и температурных условий прокатки. Максимальный диаметр катанки 12 мм. Поточности проката требования к катанке выше, чем к обычному сортовому металлу. Необходимо укладываться в жесткие допуски, которые на современных станах составляют ±0,2 мм и меньше, иначе волочение катанки протекает нестабильно.
Особенно сложны требования к процессу прокатки катанки по температуре. Напомним, что для доэфтекгоидных углеродистых сталей с содержанием углерода от 0,1 до 0,7 % металл прокатывается полностью в области аустенита. Прокатка начинается при температурах на 50—100 °С ниже линии солидуса и заканчивается при температурах выше линии Асв (по диаграмме железо- углерод — см. рис. 9.6). Причем чем выше температура аустенита, тем однороднее его структура, необходимая для формирования однородной структуры перлита при охлаждении катанки. Однако при этом растет величина зерна аустенита и перлита. На непрерывных проволочных станах температура конца прокатки лежит обычно в интервале 1000—1060 °С.
Смотка катанки в бунт должна быть осуществлена после полного распада аустенита, т. е. при температурах ниже Лс1, ниже 700 °С. Иначе неравномерное остывание витков бунта приведет к разной структуре металла. Для катанки разброс свойств по шпине не должен превышать 5-10 %, иначе волочение становится невозможным. Установлено, что для последующего волочения средне- углеродистых сталей по сочетанию прочностных и пластических свойств наилучшей является структура сорбита, т. е. структура, в которой равномерно распределены мелкие зерна феррита и зерна с тонким глобулярным или мелкопластинчатым перлитом.
В 1962 г. в США фирмой “Морган” был запатентован на высокоскоростном проволочном стане способ достижения сорбита, который назван стилмор-про- цессом (в литературе можно встретить также написание “сгелмор”). Сущность его состоит в том, что от температуры конца прокатки до 750—800 °С металл охлаждается быстро в трубах с охлаждающей водой (скорость охлаждения — сотни градусов в секунду), затем с помощью вигкообразователя проволока собирается в витки, которые укладываются с перекрытием на движущийся цепной транспортер, где катанка охлаждается в вентиляционных камерах воздухом со скоростью 12—20 град/с до температуры 350 °С. Дальше витки собирают в бунт, который затем опрессовывается, обвязывается и направляется на крюковой конвейер для охлаждения.
Такая двухступенчатая технология охлаждения катанки позволяет получить структуру сорбита закалки, который имеет мелкодисперсные пластинчатые зерна перлита. Она обеспечивает равномерные и высокие пластические и прочностные свойства металла по длине, что необходимо для последующего волочения проволоки. Кроме того, на стадии быстрого охлаждения сокращается в несколько раз толщина слоя окалины, а состав окалины такой, что сравнительно легко удаляется с поверхности перед волочением путем травления в кислоте.
Однако чем выше скорость прокатки на стане, тем длиннее участок охлаждения металла по режиму “стилмор”, и на некоторых станах длина его доходит до 90 м. Второй недостаток состоит в том, что система охлаждения катанки на этапе воздушного охлаждения не может обеспечить равномерное остывание всех участков витков, поэтому свойства по длине неравномерны.
Стил мор-процесс непрерывно совершенствовался, появилось много его разновидностей. Появились установки, которые позволяют, во-первых, обеспечивать равномерное распределение температуры по образующей витков, во-вторых, регулировать скорость охлаждения металла на участке воздушного охлаждения. На этом участке устанавливаются теплоизоляционные крышки, которые позволяют уменьшать или увеличивать скорость охлаждения, что важно для прокатки разных марок стали. Известны установки, на которых вторая стадия охлаждения осуществляется в баках с горячей водой, содержащей поверхностно- активные добавки, которые увеличивают стабильность паровой рубашки вокруг катанки и тем самым замедляют процесс ее остывания. Все эти меры направлены на то, чтобы получить структуру сорбита, т. е. мелкого феррита с глобулярным перлитом, в котором частицы цементита имеют форму мелких глобулей, что повышает пластичность готового металла при его высокой прочности.
В 1968 г. фирма “Шлеманн” (ФРГ) предложила одностадийную технологию охлаждения катанки. В трубах с водой металл охлаждается до 650 °С и затем витками, не перекрывающими друг друга, раскладывается на пластинчатом транспортере. Последующее воздушное охлаждение не применяется, поэтому длина хвостовой части стана сокращается. Необходимая скорость охлаждения катанки достигается за счет более свободного размещения витков на пластинчатом конвейере. Такая технология внедрена на проволочном стане 250 Западно-Сибирского металлургического комбината. При одностадийном процессе не допускается образование мартенсита в поверхностных слоях, распад аустенита происходит при температурах 550—660 °С.
Рассмотрим работу непрерывного четырехниточного стана 150 ЧерМК (рис. 13.21), который работает по двухступенчатой технологии “стилмор” с самыми последними усовершенствованиями процесса. Первичное охлаждение после прокатки осуществляется в трубах с водой до 700 °С, при этом температура катанки по сечению неравномерна. Затем с помощью виткообра- зовагеля формируются и равномерно укладываются на пластинчатый транспортер витки катанки, в которой сначала происходит выравнивание температуры по сечению при охлаждении воздухом со скоростью 10—20 град/с и затем распад аустенита.
В процессе быстрого охлаждения в трубах скорости охлаждения поверхности и сердцевины катанки различаются (рис. 13.22, кривые 3 и 4 соответственно). При температуре 600—650 °С на пластинчатом транспортере происходит выравнивание температур по сечению, а при температуре 500—600 °С, при которой на термокинетической диаграмме (ТКД) распада аустенита наблюдается самый короткий промежуток времени начала и конца распада, достигается полное превращение аустенита.
Скорость охлаждения катанки определяет разницу в температуре поверхностного и внутреннего слоев. Чем она выше, тем больше степень переохлаждения аустенита во внутренних слоях, тем выше дисперсность структуры образовавшегося перлита и тем выше свойства сорбита, предназначенного для последующего волочения.
Рис.13.21. Непрерывный четырехниточный проволочный стан 150 ОАО “Северсталь”:
1 — сбрасыватель бракованной заготовки; 2 — подводящий рольганг; 3— загрузочная решетка; 4 — весы; 5— втаскиватель заготовки; 6 — толкатель; 7— выталкиватель заготовки; 8— методическая печь; 9 — аварийный вытаскивагель; 10 — распределительное устройство; 11— задающее в клеть устройство; 12— обрывные ножницы (аварийные); 13— черновая группа клетей; 14— аварийные ножницы; 15— первая промежуточная группа клетей; 16— вторая промежуточная группа клетей; 17— петлерегулятор; 18— крошигельные ножницы (резка при застревании раската в блоке); 19— летучие ножницы (резка переднего конца); 20— обрывные ножницы (резка при аварии в блоках); 21— 8-клегевой чистовой блок; 22— установка для охлаждения водой; 23— ножницы для обрезки концов; 24— трайбаппарат; 25— скранные ножницы для резки отрезанных концов; 26— виткооб- разователь; 27— сетчатый пластинчатый транспортер; 28— накопитель витков (моталка); 29— круг поворотный; 30— перекладывающее устройство; 31— установка для укладки витков; 32— транспортер шаговый; 33— устройство передачи мотков; 34— накопитель мотков; 35— пакетировщик мотков; 36— бракомоталка; 37— передаточная тележка
Рис. 13.22. Диаграмма изотермического распада аустенита и кривые охлаждения катанки на стане 150 и при ускоренном охлаждении:
А — аустенит, Ф — феррит, П — перлит, В — бейнит; /, 2— кривые начала и конца распада аустенита, 3, 4— кривые охлаждения соответственно поверхности и центра катанки; 5— кривая охлаждения поверхности при ускоренном охлаждении
Стан 150 предназначен для прокатки катанки диаметром от 5,5 до 12 мм обычной и повышенной точности по ГОСТ 2590—88 из заготовки 100x100 длиной от 10 до 11,8 м из углеродистых, низколегированных и легированных марок стали. После реконструкции стана масса выпускаемого бунта увеличена до 2,5 т.
После нагрева заготовка с помощью распределительного устройства задается в одну из четырех линий прокатки черновых клетей. В промежуточной линии прокатка ведется в две, а в чистовой — в одну нитку. Чистовая группа клетей состоит из восьми пар шайб диаметром 170 мм, изготовленных из твердого сплава. Твердосплавные валки (шайбы, надетые на стальную ось) имеют износ значительно меньше обычных валков. Эго позволяет жестко стабилизировать все параметры прокатки в чистовой группе. Все валки объединены в блок с приводом от одного двигателя с жестким распределением скоростей по клетям в соответствии с константой. Прокатка ведется без натяжения с небольшим петлеобразованием. Кроме того, строго стабилизирована температура прокатки по клетям. Четкое выдерживание температуры конца прокатки позволяет также стабилизировать систему охлаждения катанки строго по изложенной выше технологии. Катанка, получаемая на стане, отличается повышенной точностью, стабильностью свойств и структуры (сорбита) как в пределах одного бунта, так и между бунтами. Колебания механических свойств по длине катанки составляют ±3 %. Количество окалины сокращено до 2—6 кг/т.
Получение в структуре высокоуглеродистой катанки сорбитообразного перлита позволяет исключить дорогостоящую операцию патентирования в волочильных цехах. Образование сорбита связано с превращением переохлажденного аустенита по диффузионному механизму с образованием двух фаз — феррита и глобулярных частиц цементита в перлите. Характер протекания этого процесса зависит от структуры аустенита перед превращением и режимом охлаждения после превращения. Чем мельче аустенит и больше степень его переохлаждения, тем меньше размер перлитных колоний и меньше межпластинчатое расстояние перлита А и тем выше пластичность металла.
В волочильных цехах наиболее благоприятную структуру катанки (проволоки) для волочения получают путем патентирования. Проволоку сначала разогревают до состояния аустенита, а затем быстро охлаждают в трубах, расположенных в расплаве селитры (при 550—600 °С). При патентировании межпластинчатое расстояние перлита Д = 0,08—0,10 мкм, структура металла — сорбит — обеспечивает наибольшие пластические свойства металла. Пластичность трооститных структур, которые встречаются при существующих режимах охлаждения, ниже. На стане 150, как и при патентировании, следует переохлаждать аустенит до 600 °С, что примерно на 50 °С ниже, чем достигается сейчас. На виткообразователе необходимы дополнительные секции водяного охлаждения при увеличении мощности потока воздушного охлаждения.
Таким образом, проблема получения равномерной структуры сорбита по всей длине катанки принципиально решена. Однако на многих проволочных станах в России (и в других странах), которые были построены в 1960-х гг., нет возможности осуществить предложенные двухступенчатую и даже одноступенчатую схемы охлаждения катанки. Длина участка охлаждения катанки на этих станах составляет примерно 10 м, ее недостаточно. Реконструкция по удлинению и полной перестройке хвостовой части стана требует больших затрат. В России были проведены глубокие исследования возможности получения структуры сорбита на действующих станах. И эти работы увенчались успехом, показав, что на действующих станах можно получать требуемую структуру металла и высокие прочностные и пластические свойства металла. Разработана новая одноступенчатая технология, которая условно называется ускоренным охлаждением, хотя термин “ускоренное охлаждение” часто применяют также для стилмор-процесса и его разновидностей.
Было установлено, что на упомянутых станах основные марки стали должны подвергаться более резкому, чем в стилмор-процессе, ускоренному охлаждению. Эго не только улучшает свойства прокатываемого металла, но и сокращает потери металла в окалину. Основные углеродистые марки стали следует разбить на две группы. Стали с содержанием углерода от 0,35 до 0,80 %, в число которых входит большая доля канатных марок стали с содержанием углерода 0,56—0,71 % (Ст5—Ст7), необходимо от температуры конца прокатки (1060— 1080 °С) охлаждать с огромной скоростью (до 1500 °С/с) до температур 550— 650 °С. Температура смотки катанки на моталку составляет 500—600 °С. Такой режим охлаждения реализуется на установке для одноступенчатого ускоренного охлаждения (рис. 13.23). Центральные слои катанки охлаждаются примерно по кривой 4, а поверхностные — по кривой 5 (см. рис. 13.22). В центральных слоях катанки образуется сорбит с тонкопластинчатой формой перлита, который называется сорбитом закалки. Он содержит тонкие прослойки избыточного феррита по границам перлитных зерен, которые имеют тонкую пластинчатую структуру с очень малым межпластинчатым расстоянием.
На поверхности же на глубине от 0,1 до 2,0 мм в зависимости от марки стали образуется мартенсит. Затем за счет внутреннего тепла поверхностные слои повышают свою температуру, и мартенсит распадается на сорбит отпуска, в котором перлит имеет мелкодисперсную структуру в форме глобулей, равномерно распределенных в объеме поверхностного слоя. На некоторых установках для распада мартенсита применяют дополнительный подвод тепла, обдувая катанку воздухом, нагретым до температуры 350—400 °С.
Таким образом, катанка, полученная по технологии ускоренного охлаждения, имеет внутренний слой сорбита закалки и наружный — сорбита огпус-
Рис. 13.23. Схема установки для ускоренного охлаждения катанки:
I — последняя клеть стана; 2, б— проводки; 3— охлаждающее устройство; 4— кольцевые клапаны для отсечения воды; 5— воздушные отсекающие форсунки; 7— стрелка; 8— проводка к моталкам; 9— моталка ка. Между ними иногда появляется прослойка бейнига, толщина которой уменьшается со снижением температуры охлаждения. Механические свойства (прочность и пластичность) сорбита закалки выше, чем у сорбита отпуска. Полученная структура обеспечивает низкую обрывность проволоки при волочении. Для канатной, кордной и других высокопрочных видов проволоки такая структура желательна. Но сорбит отпуска мягче, поэтому способствует меньшему износу волоки при волочении, и его наличие в тонком поверхностном слое только улучшает качество этого вида проволоки.
Свойства катанки для волочения канатной стали, полученной по режимам ускоренного охлаждения, практически не уступают тем, которые достигаются при технологии “стилмор”, а по ряду показателей превышают их. Кроме того, ускоренное охлаждение позволяет снизить толщину слоя окалины и значительно сократить потери металла в окалину. И главное, по такой технологии охлаждения может хватить тех 8—10 м длины хвостовой части раскатного поля, которые имеются на некоторых станах.
Исследования последних лет показывают, что для высокоуглеродистых сталей с содержанием углерода от 0,6 до 1,0 %, предназначенных для производства канатной и кордной проволоки, необходимо применять режимы контролируемой прокатки. Контролируемой прокаткой в общем случае называется такой режим обработки проката, в котором соответствующим образом строго дозированы все параметры прокатки: температура и скорость нагрева под прокатку, температура и степень деформации в чистовой группе клетей и режим охлаждения после прокатки. Установлено, что снижение температуры и повышение степени деформации в чистовой группе (в аустенитной области) приводят к измельчению зерна аустенита и способствуют его распаду, т. е. уменьшают время начала и увеличивают скорость распада аустенита (ВТМО). Как следствие, при дальнейшем его распаде дополнительно измельчаются колонии перлита, повышаются прочностные характеристики при высокой пластичности металла.
На проволочных станах 300 № 3 ММК и 150 БМК (Белорецк) прошли промышленное испытание установки межклетевого охлаждения и режимы контролируемой прокатки в чистовой группе клетей. Металл с температурой 820—880 °С поступает в чистовые клети, в которых по соответствующему расчетному режиму осуществляется одновременное воздействие на структуру деформации и режим охлаждения. Между клетями происходит низкотемпературная термомеханическая обработка металла (НТМО), что позволило получить дополнительное измельчение перлита и повышение прочности катанки.
Контролируемая прокатка при производстве катанки на высокоскоростных станах немного отличается от таковой на листовых станах. Получение мелкодисперсной структуры, повышение предела текучести и прочности, ударной вязкости и других механических свойств происходит при очень высокой скорости деформации и очень малых выдержках между клетями, когда рекристаллизация протекает не полностью, а для некоторых сталей совсем не проходит. Поэтому на проволочных станах рекристаллизация и процесс измельчения зерна аустенита проходят при более высоких температурах.
Для низкоуглеродистых сталей (менее 0,22 % С) ускоренное охлаждение также полезно, хотя дает меньший эффект, чем для сталей первой группы.
При обычном охлаждении на сталях с низким содержанием углерода окалины примерно в 1,5 раза больше, чем на высокоуглеродистых. Поэтому ее резкое сокращение при ускоренном охлаждении дает заметный эффект. Структура металла после ускоренного охлаждения на низкоуглеродистых сталях представляет собой мелкозернистый феррит с равномерным распределением малых колоний перлита. От этих сталей при волочении не требуются высокие прочностные характеристики, поэтому по технологии ускоренного охлаждения их следует быстро охлаждать до 700—750 °С. При охлаждении до более низких температур (до 615—630 °С) на поверхности металла появляется мартенсит, что приводит к резкому увеличению прочности катанки, что нежелательно. Кроме того, катанка, охлажденная до низких температур, имеет более высокую степень наклепываемое™ при волочении, чем охлажденная до 700—750 °С. Эго приводит к тому, что при волочении достигается меньшая суммарная деформация, больше изнашиваются волоки, расходуется больше энергии.
Проведенные исследования показали, что для низкоуглеродистых сталей более высокий результат по снижению потерь металла в окалину и по улучшению деформируемости при волочении может быть достигнут при контролируемой, т. е. разной скорости охлаждения в указанном температурном интервале. Однако требуется разработка оборудования для реализации сложных режимов охлаждения.
Значительные успехи в области термомеханической обработки катанки с прокатного нагрева достигнуты японскими фирмами. В частности, проволочные станы фирмы Nipon Steel оснащены оборудованием для проведения непрерывных процессов:
регулируемого охлаждения катанки в витках, исключающего необходимость патентирования перед волочением;
прямого патентирования в свинцовой ванне;
регулируемого замедленного охлаждения.
На заводах этой фирмы освоена прокатка бейнитных сталей для горячей штамповки с прочностью ств= 1300 Н/мм2 и арматурной закаленной стали для напряженного железобетона с ов = 2300 Н/мм2. На заводе в Кимицу установлено оборудование для патентирования катанки с прокатного нагрева путем контролируемого охлаждения в свинцовой ванне. Для среднеуглеродистой стали получены различные структуры металла: бейнит, бейнит + перлит, перлит. Катанка с бейнигной структурой, имеющей строгую ориентировку пластинок цементита в направлении оси, обеспечивает затем волочение проволоки с 5,000 до 0,635 мм без промежуточного отжига.
